СОЗДАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ГАЗОВ. Д.Ю.Батомункуев, В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, В.А. Емелькин, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, 630090, Новосибирск В данной статье описано создание установки для разработки технологий переработки химически активных газов с максимальной эффективностью как с точки зрения экологической безопасности, так и с точки зрения экономической сообразности. Требования к чистоте плазмы определили подходящий тип нагревателя газа для проведения реакции – плазмотрон V-типа с защитой электродов плазмообразующим инертным газом. На основе расчетов теплового и массового балансов была выбрана мощность установки 2-15 кВт и определены оптимальные расходы плазмообразующего газа 0,696 и 1,04 г/с. На рис. 1 представлена схема плазмотрона. В качестве генератора плазмы в установке использовался плазмотрон V-типа, обеспечивающий высокую чистоту плазмы за счет низкого коэффициента эрозии электродов (10–3 кг/Кл). В качестве плазмообразующего газа выбран инертный газ аргон. Рис. 1. Схема плазмотрона На данном плазмотроне проводились тестовые запуски и измерялись основные энергетические характеристики: доля потерь в различные элементы плазмотрона, то есть было проведено калориметрирование и измерение КПД нагрева газа по формуле: 𝜂= 𝑁−𝑄 𝑁 , где N – полная мощность дуги плазмотрона, выделяемая как произведение тока на напряжение, а Q – сумма тепловых потерь в элементы плазмотрона. © Д.Ю.Батомункуев, В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, В.А. Емелькин 1 Данные измерения тепловых потерь представлены в таблице. Потери рассчитывались как произведение расхода воды на перепад температуры при прохождении охлаждаемого элемента. Потери в верхней части таблицы измерены при расходе аргона 1,04 г/с, нижние – при 0,696 г/с. Тепловые потоки в различные элементы плазматрона при различных токах и расходах плазмообразующего газа аргона. Заданный ток дуги, А Характеристики горения дуги Напряжение дуги, V Потери в катод Qk Потери в анод Qa Потери в крышку Qd Потери в конус Qu 40 100 632,016 442,176 451,584 2073,162 60 100 737,352 663,264 602,112 3030,006 80 105 869,022 852,768 752,64 4305,798 100 115 1053,36 1137,024 1053,696 5422,116 Потери в катод Qk Потери в анод Qa Потери в крышку Qd Потери в конус Qu 684,684 505,344 451,584 1913,688 869,022 694,848 602,112 3030,006 1000,692 947,52 903,168 4624,746 1211,364 1263,36 1204,224 5900,538 Напряжение дуги, В На рисунке 2 представлена вольтамперная характеристика плазмотрона V-типа. Данные экспериментов свидетельствуют об удобстве использования плазмотрона данного типа для задания мощности вследствие слабой линейной зависимости напряжения от тока. 140 120 100 80 60 40 20 0 1,05 г/с + 1.45 г/с 1,05 г/с 0,696 г/с 0 20 40 60 Ток дуги, А 80 100 120 Рис. 2. Вольтамперная характеристика плазмотрона V-типа Как показывают результаты эксперимента, основная доля потерь приходится на конусную часть, через которую проходит вся масса © Д.Ю.Батомункуев, В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, В.А. Емелькин 2 плазмообразующего газа. Вместе с тем обзор исследований процессов в приэлектродной области показывает, что тепловые потери на электродах являются неотъемлемой частью работы плазмотрона и снижению не подлежат [1]. Одним из необходимых условий прохождения реакции с заданными параметрами является возможность регулировать температуру стенки реактора [2]. В связи с этим было принято решение использовать воздушное охлаждение. На рис. 3 представлены результаты измерения температуры стенки реактора от расхода воздуха охлаждения. Рисунок 3 Температура стенки реактора установки в зависимости от расхода воздуха охлаждения. 900 Температура, C 800 700 600 500 вф 400 нф 300 200 окно 100 0 0 0.5 1 1.5 2 Расход воздуха охлаждения, г/с 2.5 Рис. 3. Зависимость температур от расхода воздушного охлаждения. вф – верхний фланец реактора, нф – нижний фланец реактора, окно – температура смеси в диагностической секции. Данная зависимость доказывает возможность регулирования температуры стенки для обеспечения максимально эффективного прохождения реакции. Наряду с тепловыми потерями немаловажным аспектом при разработке установки подобной направленности является необходимость использовать реагенты в различных фазовых состояниях. В связи с этим была разработана универсальная система подготовки и ввода реагентов. Часть, состоящая из испарителя, обеспечивающего возможность введе© Д.Ю.Батомункуев, В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, В.А. Емелькин 3 ния жидких реагентов в парообразном состоянии, и подогревателя, производящего догрев газа или смеси газа и пара перед вводом в реактор для повышения КПД установки, позволяет вводить газообразные и жидкие реагенты в реактор. В дополнение к вышеуказанным составляющим специально разработан дозатор порошка с вводом порошка в камеру смешения в виде взвеси. Необходимость разработки конструктивно нового дозатора продиктована характеристиками порошков, которые предполагается использовать: гигроскопичностью и слипаемостью. На основе испытаний дозатора ДПАМ-01 были определены следующие рабочие характеристики дозатора: – диапазон размеров частиц – 50 нм ÷ 30 мкм – скорость подачи – до 2 г/с Заключение: Выполнен обзор имеющихся работ по технологиям переработки галогенидов, описаных во введении. Проведен расчет и анализ результатов расчета равновесного термодинамического состава выходящей смеси переработанных фторидов и хлоридов. На основе анализа разработана блок-схема процесса конверсии фторидов и хлоридов. Разработан плазмотрон V- типа мощностью 2 – 15 кВт, схема электропитания и блок поджига дуги. Плазмотрон был запущен и протестирован, измерены тепловые потери. Получены экспериментальные данные по зависимости КПД процесса нагрева от тока и расхода газа, зависимость вольтамперных характеристик от расхода газа в принятом типе плазмотрона. Измерена зависимость температуры стенки реактора от величины расхода охлаждающего воздуха. Показано, что регулирование температуры стенки реактора легко осуществляется в необходимых пределах. Определены рабочие параметры порошкового дозатора – глубина погружения и минимальный расход газа. Выявлен диапазон дисперсности порошков, которые гарантированно может подавать дозатор. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Жуков М.Ф., Козлов Н.П., Пустогаров А.В., Аньшаков А.С., Хвесюк В.И., Дюжев Г.А., Дандарон Г.-Н.Б. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах. Сибирское отделение Новосибирск. Издательство «Наука». 1982. с. 61. 2. Гусаров Е.Е., Малков Ю.П., Степанов С.Г., Трощиненко Г.А., Засыпкин И.М. Плазмохимическая технология обезвреживания галогенсодержащих отходов, в том числе полихлорированных бифенилов. Теплофизика и аэромеханика. 2010. том. 17, №4 c 646. © Д.Ю.Батомункуев, В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, В.А. Емелькин 4